为了给立方体卫星星载GPS定轨数据提供检核标准, 并满足高精度测定轨道的应用要求, 通过在10 cm×10 cm×10 cm的标准立方体卫星的每个表面分布3个通光口径为1.0 cm的微小激光反射器, 设计了质量约为108 g、视场角满足360°、测距精度可达厘米级的激光测距合作目标。根据角锥棱镜的二面角误差、反射面面形误差及入射面面形误差所引起的光束附加相位, 分析角锥棱镜在远场的衍射分布特性; 接着, 根据激光合作目标在卫星上的分布方式, 计算激光合作目标的相对有效面积分布; 然后, 利用激光测距方程估算不同轨道高度的立方体卫星激光反射器回波光子数, 并根据卫星质心改正模型估算激光测距精度; 最后, 以皮卫星激光合作目标测距试验为例, 验证了装载在卫星上的1.0 cm微小激光反射器能够反射回足够的激光回波信号。结果表明, 此种分布方式对于运行在250～1 000 km轨道上的立方体卫星能够提供足够的回波信号, 激光测距内精度可达厘米级, 满足立方体卫星对激光测距合作目标质量轻、分布灵活、测距精度高的要求。

以GRACE重力卫星激光反射器为例，理论分析了卫星激光反射器的激光入射角、速差补偿和相对有效反射面积，并对激光反射器进行了可测性分析和测距误差分析。通过TROS1000流动卫星激光测距(SLR)系统对GRACE卫星激光反射器进行测距实验，测距精度为0.9 cm，实验结果与理论分析结果基本一致。

卫星激光反射器阵列结构决定有效反射面积分布，进而影响激光回波强度。在某些小型卫星应用中，地面台站只需对卫星局部天区过境观测，但激光反射器需数十平方厘米的有效反射面积，且对质量和尺寸有限制，需合理设计激光反射器阵列排布指向以满足大的有效反射面积应用需求。推导了不同指向角反射器有效反射面积计算模型，并以某一局部天区观测的低轨卫星激光反射器为例，给出了有效反射面积的仿真结果，并进行了实验室测试。结果表明，局部天区观测卫星激光反射器的有效反射面积设计与测试结果相符，为区域观测卫星激光反射器应用奠定了基础。

理论推导了三角形角反射器、圆形角反射器、六边形角反射器能够正常工作的最大入射角；推导出三类角反射器在不同入射条件下，有效反射面积的计算方法。进一步分析了各类角反射器的最大入射角、有效反射面积，为合作目标角反射器阵列的设计、回波能量的计算和远场衍射光斑的研究等提供了理论依据。

基于角锥棱镜的基本结构及定向反射的光学特性, 证明了同一光束出射点与入射点的对称关系以及不同入射光束出射点与对应顶点投影点的偏移量关系。推导出不同入射条件下角锥棱镜最大入射角及有效反射面积的理论计算方法, 并给出最大入射角随方位角和折射率变化的规律图线及有效反射面积随入射角、方位角、折射率变化的规律图线。研究为角锥棱镜阵列的有效反射面积、回波能量的计算、误差分析等提供理论基础, 且对正确设计使用角锥棱镜具有重要的理论指导意义。

低轨目标目前流行的类半球状布阵方式的远程角偏小，测距盲区较大。对角锥棱镜进行研究分析，依据角反射器光束入射角度允许变化范围，合理分布角反射器，设计了一机载激光反射器装置，外形尺寸为119 mm×88.8 mm，共有15个角锥棱镜，底面切割成正六边形，底面边长为15.5 mm，底面对边距为26.87 mm，有效通光口径为25 mm，高为19 mm。考虑到角反射器的速差效应及其补偿要求，角锥棱镜最大角误差为5″，面形最大误差为5″。通过合理设计，比较单层角反射器，增加了入射光允许的角度范围，大大减小了低轨目标的测试盲区。

为了掌握光束入射角变化对激光跟踪仪中角锥棱镜测量精度的影响规律,详细分析了角锥棱镜的工作原理和反射特性,计算了角锥棱镜在不同入射角下的实际有效反射面积,并建立了角锥棱镜有效反射面积随光束入射角变化的理论公式,进而得到角锥棱镜测量精度随光束入射角变化的规律。实验结果表明:角锥棱镜测量精度随入射角增大而减小,在最大允许入射角处发生突变。在最大允许入射角为±35.26°时,其测量误差达到0.050 mm;而在±20°内时,其测量精度优于0.010 mm;入射角在±15°内其测量精度最高,稳定性最好。所得结论证明了当角锥棱镜入射角在±20°内工作时能满足了激光跟踪仪的测量精度要求,这对角锥棱镜设计和实际测量工作具有指导意义。